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Cuando pensamos en reacciones químicas imaginamos matraces burbujeantes, líquidos de colores y explosiones. En una palabra: disoluciones. Así ocurren muchos procesos, pero muchos otros se dan sobre superficies sólidas. ¿Alguna vez se han preguntado por qué al cortar una manzana se oscurece al poco rato? ¿Por qué se vuelven verdes las estatuas de bronce que adornan las ciudades?
Todas las respuestas están en el comportamiento de las superficies de los objetos y la interacción de las mismas con el medio que las rodea. Es decir, en la química de las superficies.
¿Qué es una superficie?
Puede parecer una pregunta obvia porque todos sabemos qué es la superficie de un objeto, pero la idea de superficie se ha ido tratando a lo largo de la historia de diferentes maneras.
Una de las referencias más antiguas consiste en una tablilla sumeria en la que se describe la interfase agua-aceite que usaban entonces como métodos adivinatorios.
Para los filósofos griegos una superficie podía ser un ente matemático y geométrico, pero con existencia real. Así lo consideraba Platón, aunque para Aristóteles eran entes abstractos matemáticos y sin substancia.
Los antiguos estoicos tampoco tenían una misma idea de superficie. Algunos las suponían entes ideales y otros, Posidonio entre ellos, las consideraban reales.
Sin embargo, todos ellos obviaban totalmente cualquier tipo de interacción de las superficies con su entorno.
En torno al siglo I a. e. c., Plinio el Viejo describió interacciones que afectaban a las superficies, como la forma de calmar las aguas revueltas añadiendo pequeñas cantidades de aceite. Igualmente, explicó la manera de proteger de la corrosión metales y aleaciones cubriéndolas con una capa también de aceite, o el uso del mismo líquido para favorecer las soldaduras de plomo con estaño, o de piezas de oro y plata.
El desarrollo de la ciencia de superficies
La ciencia de superficies no empezó a desarrollarse de forma más sistemática hasta principios del siglo XX. Aún hubo que esperar a la década de 1960 para que el desarrollo de la tecnología de vacío y la aplicación de técnicas como las espectroscopías electrónicas le dieran a este campo el impulso definitivo.
No es sencillo estudiar el comportamiento de átomos y moléculas sobre las superficies sólidas, pero la importancia de estos estudios en nuestra vida moderna lo justifica. Actualmente las reacciones en superficie son fundamentales en la industria química y en la comprensión de los sistemas naturales.
Para todo esto necesitamos un equipamiento muy específico. La superficie suele representar tan solo una mínima fracción del material, por lo que es complicado distinguir la señal de la superficie de la del objeto total. Una de las técnicas más utilizadas es la espectroscopía de fotoelectrones (XPS, por sus siglas en inglés).
Esta técnica se basa en el efecto fotoeléctrico, descubierto por Heinrich Rudolf Hertz en 1887 y explicado por Albert Einstein en 1905.
En un experimento con la técnica de XPS se irradia una superficie con rayos X blandos (normalmente entre 1 000 y 1 500 electronvoltios) y se arrancan electrones de energías inferiores a las de los rayos X usados. Como los electrones interaccionan fuertemente con la materia, solo escaparán sin perder energía aquellos que provengan de las capas atómicas más externas del material, de los últimos entre 5 y 10 nanómetros.
La principal limitación de esta técnica, que causó que no se desarrollara hasta los años 60, es que necesita presiones del orden de 10⁻⁶ pascales (Pa), unos cien mil millones de veces inferior a la presión atmosférica. Esto se conoce como “ultra-alto vacío” (UHV, por sus siglas en inglés).
Hoy no es un problema conseguir esas presiones, pero implica trabajar en condiciones muy alejadas de las reales. Así no podríamos analizar líquidos o sustancias que contengan humedad, porque se evaporarían. Tampoco seríamos capaces de estudiar reacciones químicas en las superficies, ya que no habría interacción con gases o líquidos reactivos.
Cómo lograr condiciones cercanas a las ambientales
Desde que se desarrolló la técnica de XPS se ha querido evitar la necesidad de trabajar en vacío en la medida de lo posible, para así estudiar las superficies en situaciones diversas. Sin embargo, hasta el siglo XXI no fue posible optimizar el equipo para trabajar a presiones más altas, de hasta unos 5000 Pa (50 milibares).
Para ello es necesario contar con potentísimos sistemas de vacío a lo largo de toda la trayectoria de los fotoelectrones para que la mayor parte de su recorrido la hagan en las condiciones de vacío necesarias. A la vez, las superficies de las muestras estarían sometidas a presiones que ya no serán tan diferentes de las reales. A esta modificación de la técnica de XPS se la conoce como “espectroscopía de fotoelectrones a presiones cercanas a las ambientales” (NAP-XPS, por sus siglas en inglés).
Los equipos de NAP-XPS permiten estudiar las superficies en acción, mientras cumplen su función en ambientes reactivos. Además, pueden estudiarse objetos que se dañan en condiciones de vacío (substancias biológicas), substancias líquidas o gaseosas, y a veces una combinación de los tres estados.
También permite estudiar reacciones químicas en superficie según se están dando: catálisis, fenómenos de corrosión y procesos electroquímicos.
A principios de 2024, la Universidad de Cádiz instaló un nuevo equipo de NAP-XPS que, además de lo comentado anteriormente, permitirá trabajar a temperaturas entre -10 y 900 ºC y en atmósferas de hasta 50 milibares.
Las características de este equipo, primer EnviroESCA que se instala en España, superan en versatilidad a los anteriores al permitir trabajar a presiones más altas y analizar una amplia variedad de muestras, incluso de gran tamaño. Esto amplía significativamente los campos de aplicación, desde la catálisis y la ciencia de materiales hasta la medicina, biotecnología y arqueología.
Ginesa Blanco Montilla no recibe salario, ni ejerce labores de consultoría, ni posee acciones, ni recibe financiación de ninguna compañía u organización que pueda obtener beneficio de este artículo, y ha declarado carecer de vínculos relevantes más allá del cargo académico citado.